原子磁力仪

4.4　原子磁力仪

与美籍华裔物理学家朱棣文（Steven Chu）共同获得1997年诺贝尔物理学奖的法国物理学家科恩唐努吉（Claude CohenTannoudji），早在20世纪60年代末就研究过原子磁力仪。他指出，原子磁力仪依据的原理是测量其电子自旋已被极化的原子在磁场中的进动（旋进）。最近由美国普林斯顿大学物理系Romalis教授和位于西雅图的华盛顿大学物理系的Allred等研制成的一种新型原子磁力仪，完全利用光学方法测量磁场，灵敏度达到0.54fT/Hz^1/2（1fT＝10¹⁵ T，fT，飞特），经过改进后还可提高到10²～10³fT/Hz^1/2，空间分辨率达到毫米级。在弱磁场中工作时，这种磁力仪的灵敏度可能达到10¹⁸ T（1aT＝10¹⁸ T，aT，阿特）的数量级，那将比SQUID灵敏1000倍。这种磁力仪不需要低温条件。

我们简单地描述Romalis等研制的原子磁力仪的原理（图45），由激光器产生的一定频率的偏振激光束照射气态钾原子，使钾原子跃迁到高能级产生极化，待测的外磁场使原子的极化发生演变，即原子的磁矩绕着磁场方向进动（旋进），用另一束激光来检测上述演变，即可测定磁场。磁力仪的核心是一个充满了气态钾原子和缓冲气体氦的气室。用一束起光泵作用的圆偏振高功率的激光（调谐到770nm的D₁线中央）照射气室，钾原子最外层未配对的价电子吸收激光后进入自旋极化状态，电子的自旋指向圆偏振方向。一个单频二极管激光器发出一束垂直于光泵激光束的取样激光，检测电子自旋在待测磁场中进动（旋进）时电子自旋的取向。取样激光少许离开钾的共振频率（偏离D₁线1nm），并且当它通过极化了的气态钾时，激光偏振角会转动。转动的角度与自旋指向取样光束的角度成比例。将取样光束聚焦投射到光电二极管阵列上，即可形成磁场的图像。

图4-5　全光学原子磁力仪^［22］

Romalis等指出，根据量子力学的测不准原理（uncertainty principle，或不确定性原理），原子磁力仪的极限灵敏度δB＝1/［γ（nT₂Vt）^1/2］，式中γ是旋磁比，t是测量时间，n是单位体积内工作物资的原子数，T₂是横向弛豫（自旋弛豫）时间，V是体积。由这个式子可见，在γ、t给定的条件下，要提高灵敏度，必须让n、T₂达到尽可能大的数值，而为了提高空间分辨率，V又不能取很大的数值。Romalis等采取增加钾原子密度n（n≈6×10¹³ cm3，是前人所用的10 000倍）并加进压力（2.9atm，1atm＝10⁵Pa）的氦作为缓冲等方法，避免了自旋弛豫，即保持大的T₂数值，获得提高测量磁场的灵敏度和空间分辨率的优异成果。Romalis等将他们研究、开发的这种磁力仪称为无自旋交互弛豫磁力仪［The Spin Exchange Relaxation Free（SERF）Magnetometer］，简称SERF磁力仪，又有人称之为全光学原子磁力仪（Alloptical atomic magnetometer），或超高灵敏度钾磁力仪（Ultra high sensitivity potassium magnetometer）。由以上的介绍，不难理解这些名称的由来。

新型原子磁力仪用途广泛，不仅用于物理学基本理论的研究方面，以及航空磁测进行地质调查和油气等矿产普查，在生物磁学研究中，可绘制心磁图、脑磁图作医学诊断，Romalis说，磁力仪还可用于军事侦察等领域。

用一束激光光泵钾原子使之极化，在y方向上的（垂直于纸面向外）磁场使原子的极化矢量偏转。另一束激光（“取样”激光，“probe”）由于其本身的极化（偏振）平面被原子介质（即气态钾原子）转动，可以拾取这种偏转。检测作用于“取样”激光极化的效应，可以极灵敏地测量磁场强度。由Kominis等研制的装置，测量磁场的灵敏度已达到优于10¹⁵ T（fT）的水平，可望达到10¹⁸ T（aT）。在做生物磁学研究，绘制心磁图、脑磁图时，研究对象要进行磁屏蔽，测量磁场的灵敏度有的可达1pT/Hz^1/2上下。在测量地磁场和探测磁异常时，用赫姆霍茨（Helmholtz）线圈代替磁屏蔽，抵消地磁场。目前研制的三分量磁力仪，单点测量磁场的噪声为10pT/Hz^1/2，用差分方式测量的灵敏度为1pT/Hz^1/2。以这种原子磁力仪为基础，Romalis等正在研制能够探测幅度为1fT（1fT＝10¹⁵ T，fT，飞特）磁异常的超高灵敏的磁力仪，主要目的是探测潜水艇［21～24］。